1、發(fā)電廠動(dòng)力部分發(fā)電廠動(dòng)力部分第三章第三章 熱傳遞的基本原理熱傳遞的基本原理3-1 導(dǎo)熱導(dǎo)熱一、導(dǎo)熱的基本概念一、導(dǎo)熱的基本概念 當(dāng)物體內(nèi)部或相互接觸的物體間存在溫當(dāng)物體內(nèi)部或相互接觸的物體間存在溫度差時(shí)，熱量從高溫處傳到低溫處的過(guò)程度差時(shí)，熱量從高溫處傳到低溫處的過(guò)程稱(chēng)為導(dǎo)熱或熱傳導(dǎo)。稱(chēng)為導(dǎo)熱或熱傳導(dǎo)。v定義：在沒(méi)有質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移的情況下，當(dāng)物體內(nèi)部定義：在沒(méi)有質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移的情況下，當(dāng)物體內(nèi)部v具有不同溫度，或不同溫度的物體直接接觸時(shí)，所發(fā)具有不同溫度，或不同溫度的物體直接接觸時(shí)，所發(fā)v生的熱能傳遞現(xiàn)象。生的熱能傳遞現(xiàn)象。v在液體和固體介電質(zhì)中，熱量的轉(zhuǎn)移是依靠彈性波在液體和固體介電質(zhì)中，熱量的

2、轉(zhuǎn)移是依靠彈性波v的作用，在金屬內(nèi)部則依靠自由電子的運(yùn)動(dòng)，在氣體的作用，在金屬內(nèi)部則依靠自由電子的運(yùn)動(dòng)，在氣體v中主要依靠原于或分子的擴(kuò)散和碰撞。中主要依靠原于或分子的擴(kuò)散和碰撞。v條件：溫差、無(wú)宏觀運(yùn)動(dòng)。條件：溫差、無(wú)宏觀運(yùn)動(dòng)。v取決于：物質(zhì)本身的物性。取決于：物質(zhì)本身的物性。 物體內(nèi)的溫度分布一般是時(shí)間和空物體內(nèi)的溫度分布一般是時(shí)間和空間坐標(biāo)的函數(shù)，即間坐標(biāo)的函數(shù)，即t=f(x,y,z,t=f(x,y,z,) ) 式中描述的物體內(nèi)在某一瞬間的溫度式中描述的物體內(nèi)在某一瞬間的溫度分布總體，稱(chēng)為溫度場(chǎng)。如果物體內(nèi)各分布總體，稱(chēng)為溫度場(chǎng)。如果物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變，則稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)溫點(diǎn)的溫度不隨

3、時(shí)間而變，則稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。如電廠中的鍋爐、汽輪機(jī)等各種度場(chǎng)。如電廠中的鍋爐、汽輪機(jī)等各種熱力設(shè)備，它們?cè)谡９r穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)熱力設(shè)備，它們?cè)谡９r穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的溫度分布即為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。的溫度分布即為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。3-1 導(dǎo)熱導(dǎo)熱 在有溫差存在的物體內(nèi)，若將其溫度在有溫差存在的物體內(nèi)，若將其溫度相同的點(diǎn)連接起來(lái)，則會(huì)形成一個(gè)等溫面。相同的點(diǎn)連接起來(lái)，則會(huì)形成一個(gè)等溫面。 將等溫面法線方向上的溫度變化率稱(chēng)將等溫面法線方向上的溫度變化率稱(chēng)為溫度梯度。溫度梯度的大小表明了物體為溫度梯度。溫度梯度的大小表明了物體內(nèi)溫度變化的強(qiáng)烈程度，進(jìn)而表明了導(dǎo)熱內(nèi)溫度變化的強(qiáng)烈程度，進(jìn)而表明了導(dǎo)熱體內(nèi)熱流量的大小，其間

4、的定量關(guān)系是由體內(nèi)熱流量的大小，其間的定量關(guān)系是由傅立葉定律給出的。傅立葉定律給出的。3-1 導(dǎo)熱導(dǎo)熱二、傅立葉定律及導(dǎo)熱系數(shù)二、傅立葉定律及導(dǎo)熱系數(shù) 傅立葉定律定義：傅立葉定律定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)熱體單位面積上的導(dǎo)熱量，在數(shù)值上與該熱體單位面積上的導(dǎo)熱量，在數(shù)值上與該面積上的溫度梯度成正比，而方向與其相面積上的溫度梯度成正比，而方向與其相反。反。3-1 導(dǎo)熱導(dǎo)熱(1) (1) 導(dǎo)熱的基本定律：導(dǎo)熱的基本定律： 18221822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家年，法國(guó)數(shù)學(xué)家Fourier:Fourier: 2mW ddxtAQqW ddxtAQt0 x dxdtQq單位時(shí)間通過(guò)導(dǎo)體單位面積上的

5、熱量單位時(shí)間通過(guò)導(dǎo)體單位面積上的熱量,又稱(chēng)為熱流密度又稱(chēng)為熱流密度; 為導(dǎo)熱系數(shù)；導(dǎo)熱系數(shù)的大小取決為導(dǎo)熱系數(shù)；導(dǎo)熱系數(shù)的大小取決于物質(zhì)的種類(lèi)和溫度于物質(zhì)的種類(lèi)和溫度;一般而言，在固、液、氣三種相態(tài)中固體的導(dǎo)熱系數(shù)最大，氣一般而言，在固、液、氣三種相態(tài)中固體的導(dǎo)熱系數(shù)最大，氣體的最小，液體的介于兩者之間，這是由它們不同的導(dǎo)熱機(jī)理體的最小，液體的介于兩者之間，這是由它們不同的導(dǎo)熱機(jī)理決定的。決定的。3-1 導(dǎo)熱導(dǎo)熱v1）單位：w/ （ m . ）v2）物理意義：物體的導(dǎo)熱能力v3）影響因素：va.物質(zhì)種類(lèi)：v 氣：0.0060.6 w/（ m . ）v液：0.070.7w/ （ m . ） v金

6、屬：2.2420w/ （ m . ） ；v工程材料：0.0254w/ （ m . ）vb.物理狀態(tài)：溫度、壓力、密度、濕度等三、一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算三、一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算 所謂所謂大平壁大平壁，是指平壁的高度和寬度遠(yuǎn)，是指平壁的高度和寬度遠(yuǎn)大于其厚度，平壁的端部散熱所造成的溫差大于其厚度，平壁的端部散熱所造成的溫差可略去不計(jì)。可略去不計(jì)。 工程上，如果平壁厚度小于高度及寬度的工程上，如果平壁厚度小于高度及寬度的1/10則可視為大平則可視為大平壁導(dǎo)熱，忽略端部散熱的誤差小于壁導(dǎo)熱，忽略端部散熱的誤差小于1。3-1 導(dǎo)熱導(dǎo)熱單壁厚單壁厚，導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，為常數(shù)，若為均勻恒定的大平壁可由若為均勻

7、恒定的大平壁可由傅立葉定律得到通過(guò)平壁的傅立葉定律得到通過(guò)平壁的熱量為熱量為Q= -S dt/dx3-1 導(dǎo)熱導(dǎo)熱最后可以得到通過(guò)大平壁的導(dǎo)熱量和熱流密度最后可以得到通過(guò)大平壁的導(dǎo)熱量和熱流密度3-1 導(dǎo)熱導(dǎo)熱可知：可知：通過(guò)平壁的熱流量與溫度差成正比，與熱阻成反比。通過(guò)平壁的熱流量與溫度差成正比，與熱阻成反比。單位導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻導(dǎo)熱熱阻導(dǎo)熱熱阻210 dd21wwttttqtxqww 對(duì)于多層大平壁，我們可對(duì)于多層大平壁，我們可以方便的利用熱阻來(lái)求通過(guò)各以方便的利用熱阻來(lái)求通過(guò)各層的熱量和熱流密度，層的熱量和熱流密度，串聯(lián)關(guān)串聯(lián)關(guān)系系。為了方便記憶可以和電壓、為了方便記憶可以和電壓、電

8、流密度類(lèi)比電流密度類(lèi)比3-1 導(dǎo)熱導(dǎo)熱多層平壁導(dǎo)熱多層平壁導(dǎo)熱2.長(zhǎng)圓筒壁導(dǎo)熱長(zhǎng)圓筒壁導(dǎo)熱（1）單層長(zhǎng)圓筒壁導(dǎo)熱r20 xttw1tw2tw1tw2r1drtw1tw2r2r1lR( )r()dtQSWdr ldrdtlrQ2rdrlQdt2121221ln2ln2ddlQrrlQttww通過(guò)半徑為r、厚度為dr的微元圓筒壁的導(dǎo)熱量為：其中S為半徑 r微元圓筒壁的表面積，S=2r代入得：分離變量得：代入邊界條件：r=r1，t=tw1和r=r2，t=tw2得2121211ln2wwwwttdldtQRt即1212211ln2wwwwttttQWdRld12ln21ddlRl121221 1lnW

9、/m2wwwwlttttQqdlrd12ln21ddr其中為長(zhǎng)單層圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻。其中為單位管長(zhǎng)上單層圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻。熱流密度： 對(duì)于多層的對(duì)于多層的圓筒壁仍然可以圓筒壁仍然可以利用熱阻來(lái)求得利用熱阻來(lái)求得導(dǎo)熱量、熱流密導(dǎo)熱量、熱流密度，大家想一想度，大家想一想單層圓壁筒的導(dǎo)單層圓壁筒的導(dǎo)熱電阻如何求得？熱電阻如何求得？3-1 導(dǎo)熱導(dǎo)熱一、對(duì)流換熱的概念及其類(lèi)型一、對(duì)流換熱的概念及其類(lèi)型 當(dāng)溫度不同的各部分流體之間產(chǎn)生宏觀的相對(duì)運(yùn)當(dāng)溫度不同的各部分流體之間產(chǎn)生宏觀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，各部分流體因相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)動(dòng)時(shí)，各部分流體因相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程，稱(chēng)為熱對(duì)流。流動(dòng)著的流體與其

10、相接觸的固體程，稱(chēng)為熱對(duì)流。流動(dòng)著的流體與其相接觸的固體壁面之間的熱量傳遞過(guò)程稱(chēng)為對(duì)流換熱。對(duì)流換熱壁面之間的熱量傳遞過(guò)程稱(chēng)為對(duì)流換熱。對(duì)流換熱時(shí)，流體內(nèi)部各部分流體之間存在著熱對(duì)流，并同時(shí)，流體內(nèi)部各部分流體之間存在著熱對(duì)流，并同時(shí)伴有熱傳導(dǎo)對(duì)流換熱是熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)綜合作用時(shí)伴有熱傳導(dǎo)對(duì)流換熱是熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)綜合作用的結(jié)果。的結(jié)果。3-2 對(duì)流換熱對(duì)流換熱二、對(duì)流換熱的主要影響因素二、對(duì)流換熱的主要影響因素1流動(dòng)的起因流動(dòng)的起因 對(duì)于按流體流動(dòng)起因分類(lèi)的對(duì)于按流體流動(dòng)起因分類(lèi)的強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流和和自然對(duì)流自然對(duì)流這兩種換熱過(guò)程。這兩種換熱過(guò)程。強(qiáng)制對(duì)流換強(qiáng)制對(duì)流換熱的效果要明顯好于自然對(duì)流換

11、熱熱的效果要明顯好于自然對(duì)流換熱。3-2 對(duì)流換熱對(duì)流換熱2流體的流態(tài)流體的流態(tài) 流體的流動(dòng)狀態(tài)有流體的流動(dòng)狀態(tài)有層流層流和和紊流紊流兩種。兩種。流體處于何種流態(tài)，決定于其慣性力與黏流體處于何種流態(tài)，決定于其慣性力與黏性力對(duì)比情況。性力對(duì)比情況。紊流時(shí)的換熱過(guò)程要比層紊流時(shí)的換熱過(guò)程要比層流強(qiáng)烈得多流強(qiáng)烈得多。3-2 對(duì)流換熱對(duì)流換熱3流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì) 與對(duì)流換熱有影響的流體熱物理性質(zhì)與對(duì)流換熱有影響的流體熱物理性質(zhì)參數(shù)有導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力黏度、比定壓熱參數(shù)有導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力黏度、比定壓熱容、密度以及體積膨脹系數(shù)等。容、密度以及體積膨脹系數(shù)等。 為了方便可以用普朗特?cái)?shù)為了方便可以用普朗特

12、數(shù)(Pr)和格拉和格拉曉夫數(shù)曉夫數(shù)(Gr)來(lái)描述對(duì)對(duì)流換熱的影響來(lái)描述對(duì)對(duì)流換熱的影響4.幾何因素的影響幾何因素的影響3-2 對(duì)流換熱對(duì)流換熱三、對(duì)流換熱的計(jì)算3-2 對(duì)流換熱對(duì)流換熱四、流體有相變時(shí)的對(duì)流換熱 在火電廠中，不僅經(jīng)常遇到單相流體的在火電廠中，不僅經(jīng)常遇到單相流體的對(duì)流換熱，而且會(huì)遇到液體受熱沸騰和蒸汽對(duì)流換熱，而且會(huì)遇到液體受熱沸騰和蒸汽遇冷凝結(jié)等有相變時(shí)的對(duì)流換熱。遇冷凝結(jié)等有相變時(shí)的對(duì)流換熱。 沸騰換熱沸騰換熱是在固體壁面的溫度超過(guò)與之是在固體壁面的溫度超過(guò)與之相接觸的液體飽和溫度時(shí)發(fā)生的。相接觸的液體飽和溫度時(shí)發(fā)生的。 凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱是在壁面溫度低于與之接觸的是在壁面溫

13、度低于與之接觸的蒸汽壓力下的飽和溫度時(shí)才會(huì)發(fā)生蒸汽壓力下的飽和溫度時(shí)才會(huì)發(fā)生。3-2 對(duì)流換熱對(duì)流換熱 一、熱輻射的基本概念一、熱輻射的基本概念是指物體通過(guò)發(fā)射電磁波向外傳遞能量的現(xiàn)象。是指物體通過(guò)發(fā)射電磁波向外傳遞能量的現(xiàn)象。一般，若電磁波的波長(zhǎng)在一般，若電磁波的波長(zhǎng)在0.10.110001000 m m之間，則稱(chēng)為之間，則稱(chēng)為熱輻射熱輻射。只要溫度高于絕對(duì)零。只要溫度高于絕對(duì)零度，物體就會(huì)不斷地將其熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠芏龋矬w就會(huì)不斷地將其熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠芟蛲獍l(fā)射，因此自然界的物體都具有輻射能向外發(fā)射，因此自然界的物體都具有輻射能力。力。3-3 輻射換熱輻射換熱1. 熱輻射特點(diǎn)熱輻射特點(diǎn)(1)

14、(1) 定義定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；(2)(2) 特點(diǎn)特點(diǎn)：a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 0 K，就會(huì)不停地向周，就會(huì)不停地向周?chē)臻g發(fā)出熱輻射；圍空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；c 伴隨能量形伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；式的轉(zhuǎn)變；d 具有強(qiáng)烈的方向性；具有強(qiáng)烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)均有關(guān)熱輻射的研究方法：熱輻射的研究方法：黑體黑體修正（黑度）修正（黑度）實(shí)際物體實(shí)際物體黑體的定義黑體的輻射控制方程Stefan-Boltzmann 定律 4TA4Tq4TA黑體

15、概念黑體概念黑體：黑體：是指能吸收投入到其面上是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。生活中是不存在的。式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 w/(m10-8 w/(m2 2 K K4 4) )，是黑體輻，是黑體輻射系數(shù)。射系數(shù)。實(shí)際物體黑度，實(shí)際黑體輻射能力實(shí)際物體黑度，實(shí)際黑體輻射能力與黑體輻射力比值與黑體輻射力比值 A+R+D=1A:A:物體的吸收率物體的吸收率; ;R:R:物體的反射率物體的反射率; ;D:D:物體的透射率物體的透射率; ;3-3 輻射換熱輻射換熱A=1表明落到物體表

16、面上的輻射能被物體全部吸收，這種表明落到物體表面上的輻射能被物體全部吸收，這種物體稱(chēng)為黑體；黑體不僅吸收能力最大，且與同溫度的物物體稱(chēng)為黑體；黑體不僅吸收能力最大，且與同溫度的物體相比，其輻射能力也最大。體相比，其輻射能力也最大。R=1的物體稱(chēng)為白體的物體稱(chēng)為白體;D =1的物體稱(chēng)為透熱體。的物體稱(chēng)為透熱體。3-3 輻射換熱輻射換熱二、熱輻射的基本定律二、熱輻射的基本定律1.1.斯?fàn)柵怂範(fàn)柵? -波爾茲曼定律波爾茲曼定律: :黑體的輻射力與熱黑體的輻射力與熱力學(xué)溫度的四次方成正比。力學(xué)溫度的四次方成正比。. .基爾霍夫定律基爾霍夫定律: :在熱平衡的條件下實(shí)際物在熱平衡的條件下實(shí)際物體的吸收率

17、在數(shù)值上等于該物體的黑度。體的吸收率在數(shù)值上等于該物體的黑度。3-3 輻射換熱輻射換熱一、傳熱過(guò)程的分橋與計(jì)算一、傳熱過(guò)程的分橋與計(jì)算1傳熱過(guò)程及復(fù)合換熱傳熱過(guò)程及復(fù)合換熱 傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程是指通過(guò)固體壁面使熱流體是指通過(guò)固體壁面使熱流體的熱量傳給冷流體的過(guò)程，如鍋爐煙道內(nèi)的的熱量傳給冷流體的過(guò)程，如鍋爐煙道內(nèi)的煙氣熱量傳給省煤器管內(nèi)水的過(guò)程。煙氣熱量傳給省煤器管內(nèi)水的過(guò)程。 這種固體壁面同時(shí)存在對(duì)流和輻射換這種固體壁面同時(shí)存在對(duì)流和輻射換熱的過(guò)程稱(chēng)為熱的過(guò)程稱(chēng)為復(fù)合換熱復(fù)合換熱。3-4 傳熱過(guò)程與換熱器傳熱過(guò)程與換熱器二、換熱器二、換熱器1換熱器的類(lèi)型換熱器的類(lèi)型 換熱器換熱器是實(shí)現(xiàn)冷熱流體

18、熱量交換的設(shè)備。是實(shí)現(xiàn)冷熱流體熱量交換的設(shè)備。3-4 傳熱過(guò)程與換熱器傳熱過(guò)程與換熱器按工作原理分：按工作原理分：(1)混合式換熱器混合式換熱器只能是同一種介質(zhì)：冷熱流體通過(guò)直只能是同一種介質(zhì)：冷熱流體通過(guò)直接接觸混合來(lái)完成熱量的交換。接接觸混合來(lái)完成熱量的交換。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：具有換熱效率高，設(shè)備簡(jiǎn)單具有換熱效率高，設(shè)備簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：因兩種流體混合，其應(yīng)用受到限制。因兩種流體混合，其應(yīng)用受到限制。(2)表面式換熱器表面式換熱器冷熱流體被固體壁隔開(kāi)，借助于固體冷熱流體被固體壁隔開(kāi)，借助于固體壁，熱流體的熱量傳給冷流體，故又稱(chēng)間壁式換熱器壁，熱流體的熱量傳給冷流體，故又稱(chēng)間壁式換熱器 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)

19、點(diǎn)：運(yùn)用最廣泛運(yùn)用最廣泛 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：換熱效率較低換熱效率較低(3)再生式換熱器再生式換熱器 :冷熱流體先后交替地流過(guò)同一換熱壁面，熱流體流過(guò)時(shí)將固體壁加熱，冷流體流過(guò)時(shí)則使固體壁冷卻，這樣借助于壁面的蓄、放熱過(guò)程，使熱流體的熱量傳給冷流體。2 2按結(jié)構(gòu)分：按結(jié)構(gòu)分：(1)殼管式換熱器： (2)套管式換熱器： (3)肋管式換熱器： (4)板式換熱器(3)按流動(dòng)形式分：順流換熱器、逆流換熱器、復(fù)雜換熱器兩種流體平行流動(dòng)且方向相同時(shí)稱(chēng)為（純）順流。如水冷壁。兩種流體平行流動(dòng)但方向相反時(shí)稱(chēng)為（純）逆流。如省煤器懸吊管。二二、換熱器換熱器2換熱器內(nèi)冷熱流體的相對(duì)流向換熱器內(nèi)冷熱流體的相對(duì)流向三、傳熱的強(qiáng)化和削弱三、傳熱的強(qiáng)化和削弱1強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化傳熱 強(qiáng)化傳熱強(qiáng)化傳熱即為根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理即為根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理設(shè)法增強(qiáng)傳熱過(guò)程的傳熱效果，其設(shè)法增強(qiáng)傳熱過(guò)程的傳熱效果，其目的目的在于在于使一定的換熱設(shè)備獲得較大的傳熱量，或在使一定的換熱設(shè)備獲得較大的傳熱量，或在一定的傳熱量要求下使所需的傳熱面積最小，一定的傳熱量要求下使所需的傳熱面積最小，設(shè)備成本最低。設(shè)備成本最低。(1) 目的：a強(qiáng)化傳熱的主要目的是：(1) 增大傳熱量；(2) 減少傳熱面積、縮小設(shè)備尺寸、降低材料消耗；(3) 降低高溫部件的溫度，保證設(shè)備安全運(yùn)行。b削弱傳熱的主要目的是：(1) 減